从近场衍射到夫琅禾费衍射过程中的光场重构

摘 要 夫琅禾费衍射是光学中的一个重要的物理概念，其中单缝、方孔、圆孔的夫琅禾费衍射光场结构已为大家所熟知。本文讨论光束在近场衍射到夫琅禾费衍射（远场衍射）过程中的光场重构现象。本文发现在一维和二维光场重构过程中，光强分布会变化，光场能量会重新分布;特别地，发现平面波经过二维孔（方孔和圆孔）后，光场会产生自动聚焦现象。以椭圆光场和像散椭圆光场为例，本文讨论了在二维光场在重构过程中的光斑形变和旋转现象。在实验上，夫琅禾费衍射可以由凸透镜实现。

关键词 夫琅禾费衍射;菲涅尔衍射;傅里叶光学

光衍射现象是根据惠更斯菲涅耳原理描述的光波的干涉性[1]。当光波传输过程中遇到与其波长相当尺度的障碍物或缝隙的时候，光衍射效应都将表现出来。均匀线性介质（包括自由空间）中空间光束的传输行为由光衍射效应唯一确定：光束的束宽会随着传输距离的增加而增加。依据光源、障碍物（或衍射孔）、屏的相对位置，可把衍射分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射。夫琅禾费衍射实际上是菲涅尔衍射在远场（屏和衍射孔的距离远大于光束本身的尺寸）情况下的极限。

夫琅禾费衍射要求光屏和衍射孔的距离较远，这不利于实验观测，原因有二。一是要求光学实验系统具有较长的工作距离;二是光束在长距离传输时能量损耗需要考虑。因此，在物理学教材中展示了夫琅禾费衍射的另外一种实验方案[2]，即，在光屏和衍射孔之间插入薄透镜。本文将从傅里叶光学的角度给出通过薄透镜实现夫琅禾费衍射的严格证明，并讨论通过这种新方案观测到的夫琅禾费衍射图案与通过长距离传输得到的方案的异同，以及从近场到远场过程中光场的重构过程。我们发现在一维和二维光场重构过程中，光强分布会变化，光场能量会重新分布。特别地，我们发现平面波经过二维孔（方孔和圆孔）后，光场会产生自动聚焦现象。